超常規進水泵房結構概念設計探討

孫宏兵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司合肥分公司,安徽 合肥）

隨著人們生活水平的提高，環保意識越來越強，國家對環境治理的力度也在不斷加強。對城市的面源污染治理就是急切的問題之一，其中初期雨水的截留工作就成為該項工作的重中之重。隨著城市的截污面積不斷擴大，初期雨水的截留量也越來越大，截留管網末端的管徑需求也在增加，現在合肥地區的截流管道都能超過3 m，這就導致初雨截留調蓄項目的提升泵房平面尺寸比較巨大，同時由于截留管道埋深較深，泵房施工深度就更深了。這些都使得我們的結構設計方案對項目的經濟指標影響非常顯著。本研究結合工程實例，闡述了此類結構項目的概念設計。

1 工程概況

本項目為店埠河肥東縣城初期雨水污染治理工程。其中新建初期雨水調蓄站1 座，占地約67 畝，調蓄規模4.5 萬m3。調蓄站包括進水泵房、沉砂池、調蓄池等。本研究主要論述其中進水泵房的結構設計工作。擬建場地地貌類型為江淮波狀平原，調蓄站區域主要為荒地及農田，填土厚度大。

場區地下水為賦存于淺部雜填土層中的上層滯水、粉土層中的承壓水和基巖裂隙水。承壓含水層主要為第⑤層粉質黏土夾粉土，承壓水頭約2 m。

本次勘察深度范圍內各土層屬第四紀全新世。根據地勘報告鉆孔揭示土層如下：

第①層：雜填土，灰褐色，松散～松軟，濕，壓縮性高。層厚0.30～13.10 m 左右，全場分布，調蓄站區域該層土厚度大。

第②層：粉質黏土，灰黃色，可塑，局部軟塑，中等壓縮性。層厚2.00～10.90 m。

第③層：粉質黏土，灰綠色，軟塑，局部流塑，中等偏高壓縮性。層厚1.10～12.00 m。

第④層：粉質黏土，灰黃色～灰白色，可塑，局部軟塑，濕，稍密～中密，中等壓縮性。層厚1.50～15.10 m。

第⑤層：粉質黏土夾粉土，灰黃色，可塑，中密～密實，中等壓縮性，層厚1.00～11.10 m。各土層物理力學性質指標見表1。

表1 各土層物理力學指標建議值

2 結構概念設計要點

本進水泵房采用全地下式結構，頂部覆土綠化。泵房由進水前池、格柵間及泵室組成，前池兼做進水管的頂管接收井。進水管中心標高-1.05 m，進水管徑DN3000，泵室底板高程-6.4 m，刃腳底標高-10.4 m，設計地面標高18.0 m，總埋深達28 m。根據工藝需要，共設6 臺450 kw潛水泵，是肥東縣最大的進水泵房結構。

2.1 結構形式與結構布置

泵房的結構形式的選擇離不開它的施工工藝的比對，只有工期短，費用低的施工工藝才能具有競爭力。

常規的泵房施工工藝有兩種，一種是支護開挖施工，另一種是沉井施工。由于本結構埋深和平面尺寸都比較大，采用支護開挖施工周期長，中間要加幾層支撐，開挖土方和施工主體結構都要大大受限，工期會被拉長。根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》[1]，沉井結構可以設計為永久結構,一次施工就將支護結構與主體結構合二為一，縮短了工期。由于沉井結構可以分段預制分次下層，對井內取土的影響也比較小。節約了造價。朱海燕[2]依據工程實例闡述了沉井結構在污水泵站中的應用，取得了很好的社會和經濟效益。與本工程的進水泵房有很高的相似性，采用沉井結構有成熟的經驗。

同時泵房周邊還布置有調蓄池和隔油沉砂池。這兩個單體埋深都在6 m 左右。都需要大面積取土，現狀場地內有4 m 左右的填土,施工建（構)筑物時都需要清除掉。因此，主體結構施工前，土方可以降到絕對標高11.000 m ，沉井需要下沉的深度降至22 m。趙春燕[3]等對沉井結構的設計進行了詳細的分析。同時根據規程的相關技術要求，進水泵房采用沉井結構技術可行。

下面就來分析一下結構布置問題：

先從工藝上來講，泵房分為進水前池、格柵間及泵室。進水前池的長和寬均需要8 m。由于結構埋深28 m，格柵間的長度需要8 m 左右，4 臺設備總寬度需要16 m 左右。泵室部分的尺寸確定起來比較復雜，兩臺水泵之間的工作間距需要4 m 左右，如果6 臺泵排成一排，泵室端部的寬度需要24 m，24 m 的計算跨度過大，需要增加中間隔墻形成支點，泵室寬度就需要增加至28.6 m；由于泵室還有最小的蓄水量要求，寬度確定后泵室長度需要19.3 m，再加上前池與格柵間的長度，總長度需要40 m，分兩個區域布置，這樣整個泵房形成了一個階梯形狀的布置（見圖1），根據設計規程，沉井平面重心位置宜布置在對稱軸上，平面重心的豎向連線宜為豎直線。這種布置雖然貼合工藝要求，但是結構受力不合理，也不符合規程要求。不能采用。

圖1 沉井結構平面一

我們可以折中布置，泵房的寬度取16 m，能滿足泵房三個部分的寬度要求。但泵室端部只能布置4 臺泵，余下的2 臺只能布置在側壁上。這樣不能滿足工藝要求，只能取消。所以如果采用矩形布置的話，還需要把上面階梯形狀的布置補充完整，形成圖2 的布置方案。此方案結構平面尺寸為31.6 m×40.5 m，屬于超大尺寸，造價高，由于有外凸扶壁柱，使沉井的下沉難度加大。

圖2 沉井結構平面二

結合工藝的尺寸要求，我們布置了28 m內徑的圓形截面，內部采用十字內墻分割，左半圓布置進水前室和格柵間；右半圓的兩段圓弧長44 m，布置6 臺水泵很輕松，泵室的面積也滿足工藝最小蓄水量的要求。平面布置形式見圖3。圓形截面外表面光滑連續沒有突出的轉角，下沉性能明顯優于矩形截面，魏冬冬[4]對大直徑圓形沉井的截面和下沉進行了具體的分析，得出大直徑圓形截面沉井技術上可行，受力性能好，下沉系數和下沉穩定系數均容易達到，是一種值得推廣的進水泵站的結構設計方案。

圖3 沉井結構平面三

綜合以上分析，從沉井結構平面面積來算，圖1、圖2 和圖3 的平面面積分別為247.4 m2、300.4 m2和194.3 m2。圓形的結構面積最小，比最小的矩形布置少27%，經濟性最優。從受力性能來看，圓形截面受力優于矩形。同時下沉性能也是最好的。整體分析圓形截面最合適。

2.2 下沉方式

沉井的下沉方式有排水下沉和不排水下沉。排水下沉是指沉井下沉過程中，在取土作業時排除井內積水。不排水下沉的定義是沉井下沉過程中，在取土作業時不排除井內積水。兩者之間只差一個字。但是差異非常大。從以往的工程實際經驗結合設計規程。從這些經驗結合設計規程，我們可以看出下沉方式的選擇主要取決于工程場地的大小、水文地質條件以及施工對周圍建（構）筑物的影響程度等因素。

本項目場站布局緊湊，離店埠河60 m左右。周邊是道路與河道，建筑物離得都比較遠。基礎持力層位于⑤層粉質黏土夾粉土層，該層有承壓水。我們從兩種下沉方式的實施要點來分析：

（1）排水下沉的實施方法。

a.明溝加集水井排水。在開挖面內設置合適的排水溝及集水井，溝與井底深度隨沉井挖土而不斷加深；在井內或井壁上設水泵，將水抽出井外排走，井內滲水量很少時，可設潛水泵排水。

b.井點降水。在沉井周圍設置輕型井點、噴射井點以降低地下水水位，在沉井下沉施工過程中，保證取土面位于地下水位以上。

c.井點降水與明溝排水相結合。

d.設置止水帷幕，保證工作期間周邊的上層滯水和承壓水進入不了工作面。

（2）不排水下沉的實施方法。

a.抓斗挖土。用吊車吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成鍋底。

b.水力機械沖土。利用高壓水槍的高壓水流在井底沖刷土層，使其形成泥漿匯流至集泥坑，用水力吸泥機將泥漿抽出。

不排水下沉雖然不用考慮降水，但是我們的沉井內徑達到了28 m，深度也有20 多m，水下的施工難度大，施工質量不可控。同時由于有承壓水，水下封底的厚度太厚，加大了沉井的刃腳長度，整體費用過高。而排水下沉施工難度要小很多，本單體能否采用排水下沉，關鍵要看降水措施費用及技術可行性。

排水下沉可以有兩種選擇，井點降水或設置止水帷幕。噴射井點的降水深度可以達到20 m，滿足本單體降水要求。如果采用止水帷幕的話，一般的高壓旋噴樁難以達到滿意的效果，需要采用TRD 工法樁，這種樁的施工深度可以達到60 m，但是費用高。從成本與工期方面來考慮，選用井點降水方案更合適，其工期更短費用更低。

結合本工程地質，本項目所在位置土質較好，以黏土層為主，土體滲透系數不大，選用排水下沉更合理。

2.3 重點難點

根據項目的特點，沉井設計中會存在以下重點難點：

（1）作為內徑3 m 管道的接收井，其井壁預留洞直徑達到了3.86 m，有一層樓那么高，這么大的洞口，加固就是個大問題，根據《給水排水工程構筑物結構設計規范》的要求，當開孔的直徑或寬度大于1 000 mm 時，宜對孔口四周加設肋梁；當開孔的直徑或寬度大于構筑物壁、板計算跨度的1/4 時，宜對孔口設置邊梁，梁內配筋應按計算確定。故該洞口的加固計算就是后續設計的難點。同時結構壁厚已經達到了1.5 m，再設計邊梁非常影響結構的使用功能。從本質上來分析，洞口加固就是為了避免主體結構開洞后出現應力集中以及結構剛度削弱引起的一系列問題。應特別重視。

（2）結構取土面積達到了1 000 多個平方。被內部十字墻分割成四個250 m2。取土問題也是一個難點。常規的取土與大鍋底取土工藝均容易引起突沉等安全隱患。將取土區域劃分為刃腳區域的外圈和外圈以內的內圈，下沉過程中，內圈井孔取土面積大，取土持續時間長; 外圈井孔取土面積小，取土時間短、取土范圍易調控。形成臺階式取土工藝，外圈井孔泥面始終高于內圈井孔，可以防止沉井外土體涌入沉井內，有利于保持沉井下沉時的姿態穩定，所以臺階式的取土工藝更貼合下沉需求。同時還需要考慮取土的順序，取土機械的設置，土體的堆放等問題。

結構概念設計是一個糅合多專業問題的過程，通過質量、工期和成本三個方面對比，找出最貼合的方案。概念設計過程中，需要以相關規范規程為基礎。羅列出規程中規定的計算項目和設計步驟，逐條完成。形成結構的概念設計內容。是展開一項新的結構形式設計前的必要步驟。

3 結論

該單體是28 m 內徑的巨型沉井, 遠超我們日常的沉井設計尺寸，尺寸的變大并不是表面的體量變大，常規的設計思路已經不能指導它的設計。需要重新對結構的設計施工可行性進行全面的分析。結構的概念設計就顯得尤其重要，為下一步的施工圖設計提供了堅實的基礎。

經過以上結構概念設計，我們確定了進水泵房的整體設計思路以及設計中的重難點，平面的布置需要多個專業參與，需要滿足各專業的需求才能確定，下沉的方式需要結合場地、周邊環境及地勘資料來考慮，通過項目特點找出設計和施工中的重點難點，有針對性的指導施工圖的設計。有了這些針對性的分析，該項目的設計與施工完成的非常順利，并于2021 年完成竣工驗收，目前運行正常，中間還經歷了幾次暴雨的檢驗，出色的完成了它的調蓄使命。